技术前沿 | 铭普助力下一代接入网高速光通信：25G ONU光模块的创新设计与实现
发布时间：2024-09-06 10:29:48 热度：820
9/06/2024，光纤在线讯，光纤到户技术作为一种成熟的网络接入方式，具备了传输速度快、带宽大、信号质量稳定等优势，被广泛应用于宽带接入领域。随着互联网、移动通信和宽带接入等领域的快速发展，光纤到户技术的推广对光纤光缆的需求提供了巨大的市场机遇。
自从2020年以来，我国开始大规模建设千兆光纤入户网络，在千兆光纤到户的发展方面取得了显著进展，技术标准逐渐成熟。然而，随着4K/8K超高清电视、虚拟现实/增强现实（VR/AR）技术以及物联网等应用场景的逐渐兴起，对数据传输速率和时延提出了更高要求。现有的网络速率仍然难以满足这些新兴业务场景需求。为此，IEEE最早在2016年就提出了IEEE802.3ca标准，明确了25Gb/s速率的光网络单元（25G ONU）技术标准要求，为高速光通信技术的发展指明了方向。
铭普凭借其在光电领域的深厚积累，成功研发出具备更高速性能的25G ONU光模块，为助力下一代宽带接入网络技术发展提供技术支撑。
01、光模块总体设计
铭普25G ONU光模块，支持高达25Gb/s的传输速率，采用不归零编码（NRZ）调制方式，支持双向传输，并通过波分复用技术实现单纤双向传输。整体结构包括发射端和接收端两部分，其中发射端包含控制单元（MCU）、驱动器、DC/DC电源等电芯片，以及分布反馈激光器（DFB）等光器件；接收端则包含限幅放大器、跨阻放大器（TIA）、雪崩光电二极管（APD）等关键组件。
光模块整体原理框图
发射1286nm波长光信号传输过程：首先，当DFB激光器发射光信号后，经过非球透镜进行光路汇聚以提高入纤功率耦合效率；其次，再经过⑥隔离器隔离反射光后，防止反向光影响到DFB的工作性能；最终，再水平穿过③45°滤光片后进入①斜8°角的光纤适配器。
接收1358nm波长光信号传输过程：首先，接收光信号经过①光纤适配器输入后，水平经过③45°滤光片时，由于滤光片波长选择特性导致1358nm波长无法穿过并产生全反射；其次，反射的接收光信号再经过④0°滤光片滤除1358nm波长以外的光；最终，再经过透镜汇聚到APD探测器的光敏面上进行光信号吸收。
光模块的整体结构示意图
02、技术创新与优化设计
针对高速信号线阻抗不连续的问题，铭普深入研究了高速信号线阻抗不连续点的处理技巧和印刷电路板（PCB）打孔工艺设计对传输信号线带宽性能的影响机制。
高频线路分析与优化：使用商用射频仿真软件对PCB高频差分线阻抗进行精确计算与优化。通过挖空设计、增加参考层介质厚度、调整焊盘布局等手段，有效提升信号阻抗匹配性能，确保信号传输质量。
PCB 高速信号走线设计图
PCB叠层设计优化：采用8层布线结构，结合低介电常数和损耗因子的材料，确保信号传输的稳定性与高效性。通过对称铺铜地平面结构设计，缩短信号回流路径，降低串扰，提升电磁兼容性（EMC）的屏蔽效果，并优化散热性能。
材料和叠层设计参数
发射与接收软板设计：发射软板采用微带线结构设计，接收软板则采用接地共面波导结构设计，并通过精细的打孔设计减少辐射损耗和抑制高次模分量，降低空间串扰，确保信号传输的纯净与稳定。
发射和接收软板设计图
03、性能测试与卓越表现
经过专业测试设备（如矢量网络分析仪、宽带示波器及误码仪）的严格测试验证，铭普的25G ONU光模块不仅全面满足发射眼图性能和接收灵敏度的指标要求，而且性能余量远超IEEE802.3ca协议标准。
金手指侧差分线回波损耗测试图
· 发射眼图余量大于30%，抖动均方值在2ps左右，消光比大于5dB超行业标准。
· 在1E-2误码率条件下，接收灵敏度达到-27dBm，优于IEEE802.3ca协议要求的-24dBm，且串扰小于0.5dB。
· 模块总功耗低于2W，高效节能。
接收光信号误码率测试图
04、结语
下一代光纤接入网络的发展现状显示出技术创新和市场需求的双重驱动，未来前景广阔。25G-PON和50G-PON的技术发展已经成为业界共识，应用场景将更加多样化，市场需求将持续增长。随着技术的不断进步和应用的不断拓展，光纤接入网络将在未来的通信网络中占据更加重要的地位。
铭普凭借其深厚的技术积累和创新能力，成功研发出高性能的25G ONU光模块，不仅满足了未来高速光通信技术的需求，更为公司在光通信领域的持续发展奠定了坚实基础。未来，铭普将继续秉承创新精神，致力于光通信技术的研发与应用，为全球客户提供更加优质的产品和服务。
录音讲解，开放科学（资源服务）标识码（OSID）:
期刊来源:
[1]魏兴,陈聪,罗懿宸.25G ONU光模块的高速性能设计与实现[J].光通信技术,2024,48(04):25-30.DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2024.04.005.
自从2020年以来，我国开始大规模建设千兆光纤入户网络，在千兆光纤到户的发展方面取得了显著进展，技术标准逐渐成熟。然而，随着4K/8K超高清电视、虚拟现实/增强现实（VR/AR）技术以及物联网等应用场景的逐渐兴起，对数据传输速率和时延提出了更高要求。现有的网络速率仍然难以满足这些新兴业务场景需求。为此，IEEE最早在2016年就提出了IEEE802.3ca标准，明确了25Gb/s速率的光网络单元（25G ONU）技术标准要求，为高速光通信技术的发展指明了方向。
铭普凭借其在光电领域的深厚积累，成功研发出具备更高速性能的25G ONU光模块，为助力下一代宽带接入网络技术发展提供技术支撑。
01、光模块总体设计
铭普25G ONU光模块，支持高达25Gb/s的传输速率，采用不归零编码（NRZ）调制方式，支持双向传输，并通过波分复用技术实现单纤双向传输。整体结构包括发射端和接收端两部分，其中发射端包含控制单元（MCU）、驱动器、DC/DC电源等电芯片，以及分布反馈激光器（DFB）等光器件；接收端则包含限幅放大器、跨阻放大器（TIA）、雪崩光电二极管（APD）等关键组件。
光模块整体原理框图
发射1286nm波长光信号传输过程：首先，当DFB激光器发射光信号后，经过非球透镜进行光路汇聚以提高入纤功率耦合效率；其次，再经过⑥隔离器隔离反射光后，防止反向光影响到DFB的工作性能；最终，再水平穿过③45°滤光片后进入①斜8°角的光纤适配器。
接收1358nm波长光信号传输过程：首先，接收光信号经过①光纤适配器输入后，水平经过③45°滤光片时，由于滤光片波长选择特性导致1358nm波长无法穿过并产生全反射；其次，反射的接收光信号再经过④0°滤光片滤除1358nm波长以外的光；最终，再经过透镜汇聚到APD探测器的光敏面上进行光信号吸收。
光模块的整体结构示意图
02、技术创新与优化设计
针对高速信号线阻抗不连续的问题，铭普深入研究了高速信号线阻抗不连续点的处理技巧和印刷电路板（PCB）打孔工艺设计对传输信号线带宽性能的影响机制。
高频线路分析与优化：使用商用射频仿真软件对PCB高频差分线阻抗进行精确计算与优化。通过挖空设计、增加参考层介质厚度、调整焊盘布局等手段，有效提升信号阻抗匹配性能，确保信号传输质量。
PCB 高速信号走线设计图
PCB叠层设计优化：采用8层布线结构，结合低介电常数和损耗因子的材料，确保信号传输的稳定性与高效性。通过对称铺铜地平面结构设计，缩短信号回流路径，降低串扰，提升电磁兼容性（EMC）的屏蔽效果，并优化散热性能。
材料和叠层设计参数
发射与接收软板设计：发射软板采用微带线结构设计，接收软板则采用接地共面波导结构设计，并通过精细的打孔设计减少辐射损耗和抑制高次模分量，降低空间串扰，确保信号传输的纯净与稳定。
发射和接收软板设计图
03、性能测试与卓越表现
经过专业测试设备（如矢量网络分析仪、宽带示波器及误码仪）的严格测试验证，铭普的25G ONU光模块不仅全面满足发射眼图性能和接收灵敏度的指标要求，而且性能余量远超IEEE802.3ca协议标准。
金手指侧差分线回波损耗测试图
· 发射眼图余量大于30%，抖动均方值在2ps左右，消光比大于5dB超行业标准。
· 在1E-2误码率条件下，接收灵敏度达到-27dBm，优于IEEE802.3ca协议要求的-24dBm，且串扰小于0.5dB。
· 模块总功耗低于2W，高效节能。
接收光信号误码率测试图
04、结语
下一代光纤接入网络的发展现状显示出技术创新和市场需求的双重驱动，未来前景广阔。25G-PON和50G-PON的技术发展已经成为业界共识，应用场景将更加多样化，市场需求将持续增长。随着技术的不断进步和应用的不断拓展，光纤接入网络将在未来的通信网络中占据更加重要的地位。
铭普凭借其深厚的技术积累和创新能力，成功研发出高性能的25G ONU光模块，不仅满足了未来高速光通信技术的需求，更为公司在光通信领域的持续发展奠定了坚实基础。未来，铭普将继续秉承创新精神，致力于光通信技术的研发与应用，为全球客户提供更加优质的产品和服务。
录音讲解，开放科学（资源服务）标识码（OSID）:
期刊来源:
[1]魏兴,陈聪,罗懿宸.25G ONU光模块的高速性能设计与实现[J].光通信技术,2024,48(04):25-30.DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2024.04.005.
